CN101238195B - 硅酸盐基橙色磷光体 - Google Patents

Abstract

本发明揭示新颖的橙色磷光体，其含有具有式(Sr，A1)x(Si，A2)(O，A3)2+x：Eu2+的硅酸盐基化合物，其中A1是至少一种二价阳离子(2+离子)，包括Mg、Ca、Ba或Zn，或1+与3+阳离子的组合；A2是3+、4+或5+阳离子，包括B、Al、Ga、C、Ge、P中的至少一种；A3是1-、2-或3-阴离子，包括F、Cl和Br；且x是2.5与3.5之间的任何值，包括2.5和3.5。书写上式以表明A1阳离子替代Sr；A2阳离子替代Si；且A3阴离子替代O。这些橙色磷光体构造为发射具有大于约565nm的峰值发射波长的可见光。其应用在白色LED照明系统、等离子显示板，和橙色和其它彩色LED系统中。

Description

硅酸盐基橙色磷光体

本申请案主张名称为“NovelSilicate-BasedOrangePhosphors”且于2005年8月3日申请的美国临时申请案第60/705,693号的权益。因此，美国临时申请案第60/705,693号以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明的实施例一般来说涉及构造为在光谱橙光区发射的Eu²⁺激活的硅酸盐的荧光，其用于彩色发光二极管(LED)和白光照明系统(例如，白色发光二极管)中。具体来说，本发明的橙色磷光体包含具有式(Sr，A₁)_x(Si，A₂)(O，A₃)_2+x:Eu²⁺的硅酸盐基化合物，其中A₁是至少一种二价阳离子(2+离子)，包括Mg、Ca和Ba或1+与3+阳离子的组合；A₂是3+、4+或5+阳离子，包括B、Al、Ga、C、Ge、P中的至少一种；A₃是1-、2-或3-阴离子，包括F、Cl和Br；且x是2.5与3.5之间的任何值，包括2.5和3.5。

背景技术

白色LED在所属领域中为已知的且其是相对较新的发明。直到开发出在电磁光谱蓝光/紫外区发射的LED，制造基于LED的白光照明源才变得有可能。在经济上，白色LED具有替代白炽光源(灯泡)的潜力，尤其当制造成本下降且技术进一步发展时。具体来说，认为在寿命、坚固性和效率方面白光LED的潜力优于白炽灯泡。举例来说，预期基于LED的白光照明源符合工作寿命达100,000小时且效率达80％到90％的工业标准。高亮度LED已对诸如红绿灯信号(替代白炽灯泡)等社会领域产生实质性影响，因此其不久将提供家用和商用以及其它日常应用中的全面光照需求并不令人惊讶。

存在数种基于发光磷光体制造白光照明系统的一般方法。迄今为止，大部分白色LED商业产品是基于图1A中所示的方法，其中来自辐射源的光直接贡献给白光照明的色彩输出(除了向磷光体提供激发能外)。参考图1A的系统10，辐射源11(其可能为LED)发射电磁光谱可见光部分的光12、15。虽然光12和15是同一束光，但出于说明性目的，以分开的两个光束展示。从辐射源11发射的光的一部分光12激发磷光体13，磷光体13是在吸收来自辐射源11的能量后能够发射光14的光致发光材料。光14可以是光谱黄光区中的实质上的单色，或其可以是绿色与红色、绿色与黄色或黄色与红色等的组合。辐射源11也发射不为磷光体13所吸收的可见光中的蓝光；这是图1A中所示的可见蓝光15。可见蓝光15与黄光14混合以提供图中所示的所要白光照明16。

或者，更新的方法是使用发射紫外区(UV)中的光的非可见辐射源。这一概念说明于图1B中，图1B说明照明系统，其包含在不可见区发射的辐射源，如此来自辐射源的光实质上并不贡献给由照明系统产生的光。参考图1B，从辐射源21发射实质上不可见的光，即光22、23。虽然光22与光23具有相同特征，但使用两个不同的参考数字来说明如下要点：虽然可使用光22激发磷光体，诸如磷光体24或25，但从辐射源21发射的不碰撞磷光体的光23并不贡献给磷光体的色彩输出28，因为光23对人眼来说实质上是不可见的。

需要对现有技术的橙色磷光体进行改进，其中这一改进至少部分通过使辐射源11等效或更高效地转化为黄光来表现。本发明实施例的增强的橙色磷光体具有比现有技术橙色磷光体高的效率。本发明的橙色磷光体可与作为辐射源11的UV、蓝光、绿光或黄色LED组合使用以产生橙光和/或红光，这种光的色彩输出稳定且色彩混合产生所要的均一色温(colortemperature)和所要的显色指数(colorrenderingindex)。

发明内容

本发明的实施例一般来说涉及构造为在光谱橙光区发射的Eu²⁺激活的硅酸盐的荧光，其用于彩色LED和白光照明系统(例如，白色发光二极管)中。具体来说，本发明的橙色磷光体包含具有式(Sr，A₁)_x(Si，A₂)(O，A₃)_2+x:Eu²⁺的硅酸盐基化合物，其中A₁是至少一种二价阳离子(2+离子)，包括Mg、Ca、Ba或Zn或1+与3+阳离子的组合；A₂是3+、4+或5+阳离子，包括B、Al、Ga、C、Ge、P中的至少一种；A₃是1-、2-或3-阴离子，包括F、Cl和Br；且x是2.5与3.5之间的任何值，包括2.5和3.5。书写上式以表明A₁阳离子替代Sr；A₂阳离子替代Si；且A₃阴离子替代O。在A₁是实质上相等数目的1+与3+阳离子的组合的情况中，求这一总电荷的平均数，如此其实质上等于相同数目的2+阳离子所达成的电荷。

具体来说，本发明的橙色磷光体包含硅酸盐基化合物，这一化合物以通常由式(Sr_1-xM_x)₃SiO₅:Eu²⁺表示的关系具有至少一种二价碱土元素M，即，Mg、Ca、Ba或Zn。在替代实施例中，本发明的橙色磷光体具有式(Sr_1-xM_x)_yEu_zSiO₅，其中M是至少一种选自由Ba、Mg、Ca和Zn组成的群组的二价金属；0≤x≤0.5；2.6≤y≤3.3；且0.001≤z≤0.5。这些磷光体构造为发射具有大于约565nm的峰值发射波长的可见光。

在替代实施例中，本发明的橙色磷光体具有式(M_1-xEu_x)_ySiO₅:H，其中M是至少一种选自由Sr、Ca、Ba、Zn和Mg组成的群组的二价金属；0.01≤x≤0.1；2.6≤y≤3.3；且H是选自由F、Cl和Br组成的群组的卤素阴离子。或者，这些含卤素橙色磷光体可描述为(M_1-xEu_x)_ySiO₅H_6z，其中M和H与上文相同，x和y的值与上文相同，且其中描述组合物中卤素的量的参数z由0＜z≤0.1界定。

在本发明的其它实施例中，本发明的橙色磷光体可用于白色LED中。这一白光照明系统包含：辐射源，其构造为发射具有大于约280nm的波长的辐射；和硅酸盐基橙色磷光体，其构造为吸收来自辐射源的辐射的至少一部分且发射峰值强度在大于约565nm的波长处的光。这一橙色磷光体具有式(Sr，A₁)_x(Si，A₂)(O，A₃)_2+x:Eu²⁺，其中A₁、A₂、A₃和x的值如上文所定义。

制造本发明的橙色磷光体的方法包括溶胶-凝胶法、固相反应法和共沉淀法。一种例示性共沉淀法包括以下步骤：

a)将Sr(NO₃)₃溶解于水中；

b)将Eu₂O₃溶解于硝酸中；

c)将SrF₂溶解于硝酸中；

d)混合步骤a)、b)和c)的所得溶液；

e)将(CH₃O)₄Si加入步骤d)的所得溶液中，然后将酸加入混合物中以引起沉淀；

f)将步骤e)的混合物的pH值调节到约9；

g)干燥步骤f)的反应产物，然后煅烧反应产物以分解沉淀物；和

h)在还原气氛中烧结步骤g)的沉淀物。

激发光谱展示当在约480nm到560nm范围内的波长下激发本发明的橙色磷光体时，磷光体可有效地发荧光。本发明的橙色磷光体提供比现有技术磷光体具有优势的发射特征，包括发射峰值的光谱位置以及峰值的最大强度。举例来说，在本公开案的实验中显示最大发射强度的磷光体是磷光体(Sr_0.97Eu_0.03)₃SiO₅:F。这一磷光体不仅显示5个所研究的磷光体中最高强度的发射，而且显示第二长的峰值发射波长(约590nm)。在这些研究中，展示最长波长发射的磷光体是(Ba_0.075Mg_0.025Sr_0.9)₃SiO₅:Eu²⁺F(约600nm到610nm)。

本公开案中讨论改变主晶格中碱土金属与硅的比率的影响、碱土金属的类型、Eu激活剂的含量的影响和卤素掺杂剂的作用。

附图说明

图1a是构建白光照明系统的一般方案的示意图，这一系统包含在可见区发射的辐射源，和响应来自辐射源的激发而发射的磷光体，其中由系统所产生的光是来自磷光体的光与来自辐射源的光的混合光；

图1b是照明系统的示意图，这一系统包含在不可见区发射的辐射源，如此来自辐射源的光实质上并不贡献给由照明系统产生的光；

图2是说明硅酸盐主晶格的结晶性质的例示性橙色磷光体(具有式(Sr_0.97Eu_0.03)₃SiO₅F_0.18(通过共沉淀并在H₂中在1250℃下烧结6小时而制备))的x射线衍射图；

图3展示Ba₃SiO₅、Sr₃SiO₅、(Ba_0.5Sr_0.5)₃SiO₅和(BaSrMg)SiO₅的激发光谱(已记录590nm的波长下磷光体的发射强度)，这一光谱展示当在约280nm到560nm范围内的波长下激发这些磷光体时，其可有效地发荧光；

图4展示诸如YAG:Ce和TAG:Ce的现有技术磷光体相对于分别具有式Sr₃SiO₅、(Ba_0.1Sr_0.9)₃SiO₅和(Ba_0.075Mg_0.025Sr_0.9)₃SiO₅:F的本发明的例示性磷光体的发射光谱的集合，其展示例示性磷光体具有比现有技术磷光体长的发射波长，且在一些情况下，具有更高的发射强度；

图5是作为(Sr_0.97Eu_0.03)_ySiO₅系列中Sr与Si的比率的函数的峰值发射强度的曲线图，其展示M₃SiO₅:Eu²⁺(其中M在这一实例中是Sr)型主晶格中的碱土金属含量的影响的一个实例；

图6A和6B是(Ca_xSr_1-x)_2.91Eu_0.09SiO₅系列的发射光谱的集合，其展示改变具有通式(M，N)₃SiO₅:Eu²⁺的磷光体中两种不同碱土金属M与N的相对量对峰值发射强度和峰值发射波长的影响(在这种情况下，M是Ca且N是Sr)；图6A展示实际数据，且图6B展示其中两条曲线的两个强度归一化为第三者的高度以便更容易地根据波长比较峰最大值的位置的数据；

图7A和7B是(Mg_xSr_1-x)_2.91Eu_0.09SiO₅系列的发射光谱的集合(图7A和7B的激发波长分别是403nm和450nm)，这些图展示改变具有通式(M，N)₃SiO₅:Eu²⁺的磷光体中两种碱土金属M与N的相对量对峰值发射强度和峰值发射波长的影响(在这种情况下，M是Mg且N是Sr)；

图8是包含式Mg₃SiO₅的组合物的发射光谱，其是出于说明在M₃SiO₅磷光体的家族中M为Mg的影响的目的而展示出来；因为Mg₃SiO₅磷光体在光谱蓝光区中发射，所以比较其发射特征与常规铝酸钡镁(BAM)磷光体的发射特征；

图9是作为一系列具有通式(Sr_1-xEu_x)₃SiO₅的磷光体中的Eu掺杂浓度的函数的峰值发射强度的曲线图，所述光谱展示最高发射强度出现在约2原子％(相对于碱土金属)的激活剂浓度处；

图10是(Sr_0.97Eu_0.03)₃SiO₅F_6z系列中本发明的例示性磷光体的发射光谱，其展示通过包括卤素(在这种情况下，浓度为约2％到6％)可增强最大峰值发射强度；

图11是含有卤素掺杂剂(在这种情况下为氟)的本发明的例示性磷光体的发射光谱，所述特定磷光体具有式(Sr_0.97Eu_0.03)₃SiO₅F_0.18；

图12是白光LED照明系统的发射强度的曲线图，这一系统包含本发明的实施例的橙色磷光体和蓝色磷光体，所述橙色磷光体具有式Sr₃SiO₅:Eu²⁺F且所述蓝色磷光体具有式(Sr_0.5Eu_0.5)MgAl₁₀O₁₇；这一磷光体包装由在395nm下发射的LED芯片进行UV激发(因此，对应于图1B中所描述的配置)；

图13是以各种方式组合且通过可见蓝色LED激发(因此，对应于图1A中的配置)的例示性磷光体的表，这个表给出光学结果以及鉴别发射光谱展示于图14和15中的样品；

图14是两种不同的彩色LED的发射光谱的集合，这两种LED包含如图13的表中所说明且在450nm下激发(与图12的UV激发形成对比)的本发明的橙色磷光体与其它磷光体的组合；且

图15是数种不同白色LED的发射光谱的集合，磷光体也根据图13的表组合且在450nm或460nm下激发。

具体实施方式

本发明的新颖的橙色硅酸盐基磷光体不仅用作白光照明系统中的长波长发射成分磷光体而且用于可使用橙色或其它彩色LED的任何应用中。橙色LED可通过UV与蓝光源予以激发，因为所发射的橙色的波长较长。将按以下顺序描述本发明的橙色磷光体的各种实施例：首先，将给出新颖的硅酸盐基橙色磷光体的一般描述，接着讨论主体硅酸盐晶格的性质、改变碱土金属与硅的相对量的影响和改变不同碱土金属的相对量的影响。其次，将公开改变激活剂含量的影响，接着讨论诸如卤素的阴离子包含物的影响。将给出磷光体的加工和制造方法。最后，将公开可包括本发明的新颖的橙色磷光体的例示性白光照明系统。

本发明的实施例的新颖橙色磷光体

本发明的实施例一般来说涉及构造为在光谱橙光区发射的Eu²⁺激活的硅酸盐的荧光，其用于彩色LED和白光照明系统(例如，白色发光二极管)中。具体来说，本发明的橙色磷光体包含具有式(Sr，A₁)_x(Si，A₂)(O，A₃)_2+x:Eu²⁺的硅酸盐基化合物，其中A₁是至少一种二价阳离子(2+离子)，包括镁(Mg)、钙(Ca)、钡(Ba)或锌(Zn)或1+与3+阳离子的组合；A₂是3+、4+或5+阳离子，包括硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、碳(C)、锗(Ge)和磷(P)中的至少一种；A₃是1-、2-或3-阴离子，包括氟(F)、氯(Cl)和溴(Br)；且x是2.5与3.5之间的任何值，包括2.5和3.5。书写上式以表明A₁阳离子替代锶(Sr)；A₂阳离子替代硅(Si)；且A₃阴离子替代氧(O)。

本发明的新颖的橙色磷光体一般来说可由式(Sr_1-xM_x)_yEu_zSiO₅描述，其中M是至少一种选自由Ba、Mg和Ca组成的群组的二价金属，但其也可能包括其它二价元素，诸如Zn。x、y和z的值遵循以下关系：0≤x≤0.5；2.6≤y≤3.3；且0.001≤z≤0.5。磷光体构造为发射具有大于约565nm的峰值发射波长的可见光。在本发明的一些实施例中，磷光体具有式Sr₃Eu_zSiO₅。在替代实施例中，磷光体可为(Ba_0.05Mg_0.05Sr_0.9)_2.7Eu_zSiO₅、(Ba_0.075Mg_0.025Sr_0.9)₃Eu_zSiO₅或(Ba_0.05Mg_0.05Sr_0.9)₃Eu_zSiO₅。

在本发明的替代实施例中，磷光体具有式(Mg_xSr_1-x)_yEu_zSiO₅、(Ca_xSr_1-x)_yEu_zSiO₅、(Ba_xSr_1-x)_yEu_zSiO₅，其中x和y的值遵循规则0＜x＜1.0和2.6≤y≤3.3；且其中y与z之间的关系使得y+z约等于3。

如G.Blasse等人在PhilipsResearchReports第23卷，第1期，第1-120页中所教示，属于系统Me₃SiO₅(其中Me是Ca、Sr或Ba)的磷光体中的主晶格具有晶体结构(或与晶体结构相关)Cs₃CoCl₅。图2中所示的X射线衍射图证明本发明的磷光体的主晶格也是结晶体。图2中的例示性磷光体是(Sr_0.97Eu_0.03)₃SiO₅F_0.18，其是通过共沉淀并在H₂中在1250℃下烧结6小时来制备。

通过观察改变激发能时设定波长下发射光强度的变化来制备激发光谱(参考，例如thePhosphorHandbook，S.Shionoya和W.M.Yen编，CRCPress，NewYork，1999，第684页)。本发明的例示性橙色磷光体的激发光谱展示于图3中，其中例示性磷光体是Ba₃SiO₅、Sr₃SiO₅、(Ba_0.5Sr_0.5)₃SiO₅和(BaSrMg)SiO₅。记录590nm波长下磷光体的发射强度。

图3中的激发光谱展示当在约480nm到560nm范围内的波长下激发这些磷光体时，磷光体可有效地发荧光。磷光体(Ba_0.5Sr_0.5)₃SiO₅在590nm下所发射的光的强度最大，且当激发辐射的波长为约545nm到约550nm时，这一情况出现。图3中显示第二大发射强度的磷光体是(Ba，Sr，Mg)₃SiO₅，当激发辐射的波长略高于540nm(这一式中Ba、Sr和Mg之间的逗号表明这三种元素之间的数值关系未指定，只要这些成分的和与硅之间的比率为约3∶1即可)时，这一情形出现。发射几乎同等强烈(即使或许微低)的是磷光体Sr₃SiO₅，其中当激发辐射具有略小于540nm的波长时其就出现最大发射。这一例示性系列中的4种磷光体中，Ba₃SiO₅显示最低强度发射；当激发辐射的波长为约510nm时，这一发射峰值出现。

本发明的橙色磷光体提供比现有技术磷光体具有优势的发射特征。这些特征包括发射峰最大值的光谱位置(出现发射峰最大值处的波长)以及其强度。就新颖的橙色磷光体对白色LED照明系统所产生的白光所作的贡献来说，这一点尤其正确。图4展示现有技术磷光体YAG:Ce和TAG:Ce相对于本发明的例示性磷光体的发射光谱的集合，本发明的磷光体具有式Sr₃SiO₅、(Ba_0.1Sr_0.9)SiO₅和(Ba_0.075Mg_0.025Sr_0.9)₃SiO₅。也包括以式(Ba_0.075Mg_0.025Sr_0.9)₂SiO₄给出的由本发明的发明者开发的磷光体以用于比较。

参考图4，显示最大发射强度的磷光体是磷光体(Ba_0.1Sr_0.9)₃SiO₅和(Sr_0.97Eu_0.03)₃SiO₅:F。这些磷光体不仅显示图4中所描绘的5种磷光体中最高强度的发射，而且曲线图中最长的峰值发射波长中的一些介于约585nm到600nm的范围内，完全位于电磁光谱橙光区中。在本发明的例示性磷光体中，图4中展示最短波长发射的磷光体是由式(Ba_0.075Mg_0.025Sr_0.9Eu_0.03)₃SiO₅:F表示的磷光体，其峰值波长发射略小于580nm。

(Ba_0.075Mg_0.025Sr_0.9Eu_0.03)₃SiO₅:F磷光体具有类似于两种也展示于图4中的用于比较的黄色磷光体的发射强度。这些黄色磷光体中的第一种是现有技术磷光体YAG:Ce，其峰值发射波长位于约560nm处(完全位于电磁光谱的黄色区中)。所展示的用于比较的第二种黄色磷光体是转让给本申请案的发明者的专利申请案中所描述的新颖磷光体；这一磷光体具有式(Ba_0.075Mg_0.025Sr_0.9)₂SiO₄:Eu²⁺F，其也在黄光区中但具有约575nm的较长的峰值发射波长且比YAG:Ce长。第五种用于比较的磷光体是从市面上购得的TAG:Ce，其发射光谱在图4中测量；这种磷光体具有这一系列5种磷光体中最低的发射强度。TAG:Ce磷光体展示约575nm的峰值发射波长，黄色更多而橙色更少。

通过考虑本发明的磷光体的各种组分之间的关系可了解本发明的橙色磷光体的其它新颖特征。举例来说，可表征式(Sr_1-xM_x)_yEu_zSiO₅中锶(Sr)、钡(Ba)、镁(Mg)、钙(Ca)等与硅(Si)含量的比率以及组合物中不同碱土金属“M”的影响。表征本发明的磷光体的另一种方式是描述改变磷光体中铕(Eu)激活剂的浓度的影响。

改变主晶格中碱土金属与硅的比率的影响

图5中展示改变一系列具有式(Sr_0.97Eu_0.03)_ySiO₅的例示性磷光体中Sr(或Ba、Ca等)与Si含量的比率的影响的实例。数据展示当Sr与Si的比率为约3.1时发现发射强度的最大值(在这一系列中，具有相对于碱土金属的含量的铕激活剂的固定量0.03)。发现强度的第二最大值位于约2.8处。这一曲线图的要点在于展示不必严格坚持配方M₃SiO₅，其中M是Sr、Ba、Ca、Eu等的量，且其中碱土金属或其它元素M与硅的比率固定在约3.0的值。实际上，出于增强发射强度的目的相对于传统值改变这一比率存在优势。

碱土金属的类型的影响

改变本发明的橙色磷光体中碱土金属的性质(意味特性)和含量对发射强度与发射波长的峰值都产生影响。如上所述，在(M_xSr_1-x)_2.91Eu_0.09SiO₅系列中，碱土金属M可选自由镁(Mg)、锶(Sr)、钙(Ca)和钡(Ba)组成的群组。

包括两种不同的碱土金属Ca和Mg的影响展示于图6A、6B和图7A和7B中。图6A是一系列具有式(Ca_xSr_1-x)_2.91Eu_0.09SiO₅的磷光体的发射光谱的实际数据，其中测试具有等于0.0、0.5和1.0的x值的不同磷光体。因为发射强度如此不同且因此可能很难看到峰值波长出现在何处，所以通过归一化x＝1和x＝0.5数据重新绘制图6A的数据，如此所有三个峰值都具有与x＝0组合物的峰值基本上相同的高度。这一重新绘制的数据展示于图6B中。

在这一系列中，具有Ca与Sr的中间比率的组合物(换句话说，具有实质上等量的Ca和Sr的组合物)在约605nm到610nm处显示最长的峰值波长发射。这比这一系列中的另外两个成员中的任一个都接近红色而远离黄色。主要包含钙(x＝1)的组合物在约510nm处展示最短的峰值发射波长，这是朝向黄色的绿色端的颜色。全部为锶而无钙的组合物处于分布的中间，峰值波长发射位于约590nm处。

参考图7A和7B，可观察到在组合物(Mg_xSr_1-x)_2.91Eu_0.09SiO₅中用镁取代锶会降低发射强度以及使峰值发射的波长移动到较短波长处。其中在403nm(图7A)和450nm(图7B)下激发磷光体的情形中，情况就是这样。完全包含锶作为碱土金属组分的组合物(x＝0)在两个激发波长的最长波长下发射且这一发射又出现在约590nm处。用少量镁取代锶(x＝0.2)会显著降低发射强度，但实质上不改变发射波长。

参考图7B，用更多量的镁取代锶达到最初x＝0.30的水平，接着进一步降低到x＝0.35的水平，发射强度从x＝0.2的组合物的发射强度增加，即使不能完全恢复到镁0水平所显示的强度。此时，在用镁取代锶(水平x＝3.5)的系列中，观察到系列中的第二高的发射强度。从这一浓度起，用镁进一步取代锶(分别达到x＝0.4和x＝0.5的值)会降低强度，开始仅小程度降低，然后实质上降低。组合物x＝0.3、0.35和0.4，x＝0.5的峰值发射波长在约530nm到560nm的范围内。

出于比较的目的(认识到这一段落中所描述的磷光体并不特定在光谱橙光区发射)，比较具有通式Mg₃SiO₅的磷光体的发射强度与常规BAM的发射强度。因为磷光体Mg₃SiO₅发射蓝色，所以选择常规BAM用于比较。

这一比较的结果展示于图8中。图8是包含式Mg₃SiO₅的组合物的发射光谱，其是出于比较M₃SiO₅磷光体的目的而展示出来，其中在这种情况下M是Mg，所述发射光谱是与常规BAM一起绘制，因为Mg₃SiO₅磷光体在蓝色区发射。Mg₃SiO₅磷光体在约470的峰值波长下发射，具有比常规BAM大得多的强度。应注意Mg₃SiO₅化合物并不是纯相。

Eu激活剂的含量的影响

已报导组合物Me₃SiO₅中的最佳激活剂浓度为相对于碱土金属Me(其中Me是Ca、Sr和Ba；参看G.Blasse等人于PhilipsResearchReports，第23卷，第1期，1968中的文章)少许原子％的铕，且本公开案中报导已发现的类似结果。改变由式(Sr_1-xEu_x)₃SiO₅表示的本发明的橙色磷光体组合物中铕激活剂的含量的影响展示于图9中。已发现具有0.02的Eu浓度的组合物具有最大发射强度，第二大强度组合物为x＝0.03。

本发明的硅酸盐基橙色磷光体大体来说可由式(Sr_1-xM_x)_yEu_zSiO₅表示，其中铕激活剂的含量以“z”参数描述。根据本发明的实施例，z值在约0.001≤2≤0.5的范围内。

卤素阴离子掺杂剂的作用

现在将讨论在本发明的橙色磷光体中包括卤素的影响，这些实施例具有式(M_1-xEu_x)_ySiO₅H_6z。在这一实施例中，H是选自由F、Cl和Br组成的群组的卤素阴离子且包括在组合物中的卤素的量以参数“z”描述。在本发明的一实施例中，z在0＜z≤0.1的范围内。

一些特定试验的结果展示于图10和11中。图10展示磷光体(Sr_0.97Eu_0.03)₃SiO₅F_6z的发射强度与氟(F)浓度的曲线图。本发明的发明者认为在供白光照明系统使用的磷光体中包括卤素掺杂剂是这一工业中所特有的。此处，展示约0.3到0.5范围内的F浓度提供发射强度的实质性增强。

化合物(Sr_0.97Eu_0.03)₃SiO₅F_0.18的发射光谱展示于图11中。已通过具有约450nm的波长的辐射激发这一实验中的磷光体，如左边的小峰所示，所述激发辐射包括于曲线图中。与先前数据一致，这一磷光体在约590nm处发射(右边较大的峰)。

在一实施例中，将呈NH₄F掺杂剂形式的氟加入磷光体组合物中。本发明的发明者已发现当NH₄F掺杂剂的量极小(约1％)时，峰值发射的位置位于较短波长处，且当加入更多NH₄F时，波长随掺杂剂的量增加。Eu掺杂磷光体的发光归因于化合物中Eu²⁺的存在，Eu²⁺经历从4f⁶5d¹到4f⁷的电子跃迁。发射频带的波长位置在极大程度上取决于主体材料或晶体结构，从光谱的近紫外区到红光区变化。这种依赖性被解释为归因于5d能级的晶体场分裂。随着晶体场强度的增加，发射频带移动到更长的波长。5d-4f转变的发光峰值能量主要受表示电子-电子排斥(换句话说，Eu²⁺阳离子与周围阴离子之间的距离和远处阳离子与阴离子的平均距离)的晶体参数影响。

在存在少量NH₄F的情况下，烧结加工期间，氟阴离子掺杂剂主要起助熔剂的作用。助熔剂通常以下列两种方式中的一种改进烧结加工：第一种为以液相烧结机理促进晶体生长，且第二种为从晶粒吸收和收集杂质且改进经烧结材料的相纯度。在本发明的一实施例中，主体磷光体是(Sr_1-xBa_x)₃SiO₅。Sr与Ba是非常大的阳离子。可能存在较小的阳离子，诸如Mg和Ca，其可视为杂质。因此，进一步纯化主晶格将产生更完美的对称晶格和更大的阳离子与阴离子之间的距离，结果削弱晶体场强度。这是掺杂少量NH₄F使发射峰移动到更短波长的原因。发射强度随所述少量F掺杂而增加是归因于具有更少缺陷的更高质量的晶体。

当NH₄F的量甚至进一步增加时，部分F-阴离子将替代O^2-阴离子且变得并入晶格中。将产生阳离子空位以维持电荷中性。因为阳离子位置中的空位减小阳离子与阴离子之间的平均距离，所以将增加晶体场强度。因此，当NH₄F含量增加时，归因于阳离子空位数目的增加，发射曲线的峰值将移到更长的波长处。发射波长与仅由晶体场强度决定的基态与激发态之间的能隙直接相关。发射波长随氟和氯增加的结果是并入主晶格中的氟或氯很可能取代氧位点的强有力证据。另一方面，正如所料，加入磷酸根离子实质上不改变发射波长。这也是以下观点的证据：磷酸根充当阳离子，不会替代氧，且因此不会容易地并入晶格中以改变主体材料的晶体场强度。Eu²⁺离子周围的基本上由氧位点组成的晶体场尤其如此。如以上所讨论，通过加入NH₄H₂PO₄所获得的发射强度的改进表明其起助熔剂的作用。

磷光体制造工艺

制造本发明的实施例的新颖硅酸盐基磷光体的方法不限于任一种制造方法，但可(例如)以三步工艺制造，包括：1)掺合起始材料，2)烧制起始材料混合物，和3)对所烧制的材料执行各种工艺，包括粉碎和干燥。起始材料可包含各种粉末，诸如碱土金属化合物、硅化合物和铕化合物。碱土金属化合物的实例包括碱土金属碳酸盐、硝酸盐、氢氧化物、氧化物、草酸盐和卤化物。硅化合物的实例包括诸如氧化硅和二氧化硅的氧化物。铕化合物的实例包括氧化铕、氟化铕和氯化铕。可使用诸如氧化锗的锗化合物作为本发明的含锗新颖黄色-绿色磷光体的锗材料。

以获得所要的最终组合物的方式掺合起始材料。在一实施例中，举例来说，以适当比率掺合碱土、硅(和/或锗)和铕化合物，然后烧制以获得所要的组合物。在第二步中烧制掺合的起始材料，且为增强所掺合的材料的反应性(在烧制的任何或各个阶段)，可使用助熔剂。助熔剂可包含各种卤化物和硼化合物，其实例包括氟化锶、氟化钡、氟化钙、氟化铕、氟化铵、氟化锂、氟化钠、氟化钾、氯化锶、氯化钡、氯化钙、氯化铕、氯化铵、氯化锂、氯化钠、氯化钾和其组合。含硼助熔剂化合物的实例包括硼酸、氧化硼、硼酸锶、硼酸钡和硼酸钙。

在一些实施例中，助熔剂化合物以一定量使用，其中摩尔％的数值在约0.1与3.0之间的范围内，其中值通常可在约0.1摩尔％到1.0摩尔％的范围内，包括0.1摩尔％和1.0摩尔％。

混合起始材料(含或不含助熔剂)的各种技术包括使用研钵、用球磨机混合、使用V形混合机混合、使用交叉旋转混合机混合、使用喷射碾磨机混合和使用搅拌机混合。起始材料可经干式混合或湿式混合，其中干式混合是指在不使用溶剂的情况下混合。湿式混合方法中可使用的溶剂包括水或有机溶剂，其中有机溶剂可为甲醇或乙醇。

可通过所属领域中已知的多种技术烧制起始材料的混合物。可使用诸如电炉或煤气炉等加热器进行烧制。加热器不限于任何特定的类型，只要起始材料混合物在所要的温度下烧制所要的时长即可。在一些实施例中，烧制温度可在约800℃到1600℃范围内。烧制时间可在约10分钟到1000小时的范围内。烧制气氛可选自空气、低压气氛、真空、惰性气氛、氮气氛、氧气氛、氧化气氛和/或还原气氛。因为在烧制的某一阶段需要在磷光体中纳入Eu²⁺离子，所以在一些实施例中，希望使用氮气与氢气的混合气体以提供还原气氛。

制备本发明的磷光体的说明性方法包括溶胶-凝胶法和固相反应法。可使用溶胶-凝胶法制造粉状磷光体。典型程序包含以下步骤：

1.a)将一定量的碱土金属硝酸盐(Mg、Ca、Sr和/或Ba)和Eu₂O₃和/或BaF₂或其它碱土金属卤化物溶解于稀硝酸中；和

b)将相应量的硅胶溶解于去离子水中以制备第二溶液。

2.在以上步骤1a)和1b)的两种溶液的固体完全溶解后，将两种溶液混合且搅拌2小时。然后使用氨气在混合物溶液中产生凝胶。形成凝胶后，将pH值调节到约9.0，且在约60℃下将经胶凝的溶液连续搅拌3小时。

3.通过蒸发干燥经胶凝的溶液后，在500℃到700℃下使所得干燥凝胶分解约60分钟以进行分解且获得氧化物。

4.在冷却且当步骤1a)中不使用碱土金属卤化物时与一定量的NH₄F或其它卤化铵一起研磨后，将粉末在还原气氛中烧结约6到10小时。煅烧/烧结温度在约1200℃到1400℃范围内。

在某些实施例中，也将固相反应法用于硅酸盐基磷光体。固相反应法中所使用的典型程序的步骤可包括以下步骤：

1.用球磨机将所要量的碱土金属氧化物或碳酸盐(Mg、Ca、Sr和/或Ba)、Eu₂O₃和/或BaF₂或其它碱土金属卤化物掺杂剂、相应的SiO₂和/或NH₄F或其它卤化铵湿式混合。

2.干燥和研磨后，将所得粉末在还原气氛中煅烧/烧结约6到10小时。煅烧/烧结温度在1200℃到1400℃范围内。

在与本发明的磷光体的制备相关的特定实例中，使用二次离子发射光谱(secondaryionemissionspectroscopy，SIMS)测量烧结磷光体[(Sr_1-xBa_x)_0.98Eu_0.02]₂SiO_4-yF_y中氟的浓度，且结果展示于图13中。在这一实验中，将呈NH₄F形式的氟加入磷光体中。结果展示起始材料中氟的mol％为约20mol％，烧结磷光体中氟的mol％最终为约10mol％。当原材料中的氟含量为约75mol％时，烧结磷光体中的氟含量为约18mol％。

白光和“单色”照明的产生

在本公开案的此最后部分将讨论可使用本发明的新颖橙色磷光体产生的白光照明和包含实质上单色的照明。此最后部分的第一节将以描述可用于激发本发明的橙色磷光体的说明性蓝色LED开始。由图3的激发光谱证明，本发明的橙色磷光体能够吸收宽波长范围的光(包括可见区的蓝色部分)且可由其激发。根据图1A的一般方案，来自本发明的橙色磷光体的光可与来自蓝色LED的光组合以形成白光照明。或者，如图1B所示，来自本发明的橙色磷光体的光(由来自不可见UV激发源的光激发)可与来自另一磷光体(诸如黄色或绿色磷光体)的光组合。因此，可通过在系统中包括其它磷光体来调节白光的显色。

UV和蓝色LED辐射源

在某些实施例中，蓝色发光LED发射在大于或等于约400nm且小于或等于约520nm的波长范围内具有主发射峰值的光。这种光用于两种目的：1)其向磷光体系统提供激发辐射，和2)其提供蓝光，当蓝光与自磷光体系统发射的光组合时，组成白光照明的白光。

在某些实施例中，蓝色LED发射大于或等于约420nm且小于或等于约500nm的光。在又一实施例中，蓝色LED发射大于或等于约430nm且小于或等于约480nm的光。蓝色LED波长可为450nm。

本发明的实施例的蓝光发光装置在本文中通常描述为“蓝色LED”，但所属领域的技术人员应了解，蓝光发光装置可为以下各装置中的至少一种(其中涵盖同时操作数个)：蓝色发光二极管、激光二极管、表面发射激光二极管、谐振腔发光二极管、无机电致发光装置和有机电致发光装置。如果蓝光发光装置是无机装置，那么其可能是选自由氮化镓基化合物半导体、硒化锌半导体和氧化锌半导体组成的群组的半导体。

在替代实施例中，通过在实质上小于400nm的波长下发射的辐射源激发新颖的橙色磷光体。这种实质上发射不可见光的辐射源可为紫外线灯(UVLED)或以上针对蓝色发光二极管灯(LED)所列的任何其它类型的辐射源。

图3是本发明的橙色/红色磷光体的激发光谱，其展示这些新颖的磷光体能够吸收约320nm到560nm范围内的辐射。

本发明的橙色磷光体与其它磷光体的组合

在本发明的一实施例中，可使用具有约430nm到480nm范围内的发射峰值波长的GaN基蓝色发光二极管灯(LED)和发射峰值波长大于约590nm到600nm的本发明的橙色磷光体与其它磷光体组合构建白光照明装置。所属领域的技术人员应了解，自本发明的橙色磷光体所发射的光可与来自可见蓝光辐射源的光或来自其它磷光体中的蓝色、绿色或黄色磷光体的光组合。

可符合上述概念使用的蓝色磷光体的实例已描述于发明者王宁(NingWang)、董翊(YiDong)、成世凡(ShifanCheng)和李依群(Yi-QunLi)于2005年7月1日申请的代理人案号为034172-013且名称为“铝酸盐基蓝色磷光体”(“Aluminate-basedbluephosphors”)的美国专利申请案中，这一申请案已转让给英特曼帝克公司(加利福尼亚州弗里蒙特市)(IntematixCorporation(Fremont，California))。当然，几乎任何蓝色磷光体都可能适用于本申请案，包括商业BAM磷光体，但英特曼帝克(Intematix)磷光体效果尤佳。这些磷光体可由通式(M_1-xEu_x)_2-zMg_zAl_yO_[1+(3/2)y]描述，其中M是Ba或Sr中的至少一种。这些蓝色磷光体可在约420nm到560nm范围内的波长下发射。

可自本发明的橙色磷光体与以上所提及的申请案中所述的蓝色磷光体的组合获得的白光的实例(由提供395nm下的激发辐射的不可见UVLED激发)展示于图12中。这种白光由具有式Sr₃SiO₅:Eu²⁺F的橙色磷光体与具有式(Sr_0.5Eu_0.5)MgAl₁₀O₁₇的蓝色磷光体组合产生。如此产生的白光显示83.0的Ra和82.3的RaII。

或者，本发明的橙色磷光体可与黄色磷光体(存在或不存在来自蓝色LED激发源的蓝光；且存在或不存在蓝色磷光体、绿色磷光体、红光磷光体等)组合使用，这些黄色磷光体诸如那些从市面上购得的黄色磷光体(例如，YAG:Ce磷光体)或符合发明者王宁(NingWang)、董翊(YiDong)、成世凡(ShifanCheng)和李依群(Yi-QunLi)于2004年9月22日申请的美国专利申请案第10/948,764号名称为(硅酸盐基黄绿色磷光体)(“Novelsilicatebasedyellow-greenphosphors”)的专利申请案中所述的概念的黄色磷光体。当然，几乎任何黄色磷光体都可能适用于本申请案。这些磷光体可由通式A₂SiO₄:Eu²⁺D描述，其中A是至少一种选自由Sr、Ca、Ba、Mg、Zn和Cd组成的群组的二价金属，且D是选自由F、Cl、Br、I、P、S和N组成的群组的掺杂剂。或者，这些磷光体可写作A₂Si(O，D)₄:Eu²⁺，其展示D掺杂剂停留在主晶中的氧晶格点上而不位于硅晶格点上。这些磷光体构造为发射具有约280nm到490nm范围内的波长的光。

或者，本发明的橙色磷光体可与绿色磷光体(存在或不存在来自蓝色LED激发源的蓝光；且存在或不存在蓝色磷光体、黄色磷光体、红光磷光体等)组合使用，这些绿色磷光体包括从市面上购得的绿色磷光体。发明者王宁(NingWang)、董翊(YiDong)、成世凡(ShifanCheng)和李依群(Yi-QunLi)于2005年1月14日申请的名称为“铝酸盐基绿色磷光体”(“Novelaluminatebasedgreenphosphors”)的美国专利申请案中所述的绿色磷光体也是合适的。当然，几乎任何绿色磷光体都可能适用于本申请案。这些磷光体可由通式M_1-xEu_xAl_yO_[1+(3/2)y]描述，其中M是至少一种选自由Sr、Ca、Ba、Mg、Mn、Zn、Cu、Sm、Tm和Cd组成的群组的二价金属。这些磷光体构造为发射具有约500nm到550nm范围内的波长的光。

由本发明的发明者开发的新颖绿色硅酸盐基磷光体也是合适的：这些硅酸盐基绿色磷光体可由式(Sr，A₁)_x(Si，A₂)(O，A₃)_2+x:Eu²⁺描述，其中A₁、A₂和A₃具有与橙色磷光体相同的含义且x具有相同的值范围。换句话说，可与新颖的硅酸盐基橙色磷光体组合使用的硅酸盐基绿色磷光体通过调节A₁、A₂和A₃的选择和相对量可具有相同的通式。或者，绿色硅酸盐基磷光体可具有式(Sr，A₁)_y(Si，A₂)(O，A₃)_2+y:Eu²⁺，其中A₁、A₂和A₃是与橙色磷光体相同的元素且y是介于1.5与2.5之间的任何值，包括1.5和2.5。

本发明的硅酸盐基橙色磷光体与绿色和黄色磷光体组合使用以制成白色LED和其它彩色LED的其它实例展示于图13、14和15中。图13是一表格，其展示例示性橙色磷光体如何以各种方式与绿色磷光体或与两种黄色磷光体中的一种组合的。这些实验中所使用的橙色磷光体是(Sr_0.9Ba_0.1)₃SiO₅:Eu²⁺F，在表中标记为组合物“C”。绿色磷光体是(Ba_0.7Sr_0.3)₂SiO₄:Eu²⁺F，在表中标记为组合物“G2”。这一实验中所使用的两种黄色磷光体是(Ba_0.3Sr_0.7)₂SiO₄:Eu²⁺F，在表中标记为组合物“A”；和(Ba_0.075Mg_0.025Sr_0.9)₂SiO₄:Eu²⁺F，在图13的表中标记为组合物“B”。

图13的#1到#9样品以各种方式组合磷光体A、B、C和G2。举例来说，#1样品的磷光体是约95重量％的B磷光体与5重量％的C磷光体的组合。磷光体由540nm蓝色LED激发，且因为这是可见蓝光，所以由这一样品所得的总照明是来自蓝色LED、B黄色磷光体和C橙色磷光体。

光学结果展示于图14和15中。参考图14，所属领域的技术人员可了解可制造具有橙色和黄色组分的LED，从而制得略带粉红色的彩色LED。这由#3和#5样品显示，这两种样品分别具有62重量％和38重量％的B磷光体和C磷光体(#3样品)和78重量％和22重量％的B磷光体和C磷光体(#5样品)。

#6、#7、#8和#9样品的白光照明系统的结果展示于图15中。此处，可了解可通过改变与绿色磷光体组合的橙色磷光体的相对量来调节显色。举例来说，在分别为15/85重量％的橙色与绿色组合(#6样品)和22/78重量％的橙色与绿色组合中，#6和#7样品显示大于80的显色Ra。

所属领域的技术人员将容易地想到以上所公开的本发明的说明性实施例的许多修正。因此，本发明应理解为包括属于附加权利要求书的范围内的所有结构和方法。

Claims (6)

1.一种硅酸盐基橙色磷光体，其具有式(M_1-xEu_x)_ySiO₅:H_6z，其中：

M是至少一种选自由Sr、Ca、Ba、Zn和Mg组成的群组的二价金属；

0.01≤x≤0.1；

2.6≤y≤3.3；

0<z≤0.1；且

H是选自由F、Cl和Br组成的群组的卤素阴离子。

2.根据权利要求1所述的硅酸盐基磷光体，其中M是Sr。

3.根据权利要求1所述的硅酸盐基磷光体，其中H是F。

4.一种橙色LED，其包含：

一种辐射源，其构造为发射具有大于280nm波长的辐射；和

一种硅酸盐基橙色磷光体，其具有式(M_1-xEu_x)_ySiO₅:H_6z，其中：

M是至少一种选自由Sr、Ca、Ba、Zn和Mg组成的群组的二价金属；

0.01≤x≤0.1；

2.6≤y≤3.3；

0<z≤0.1；且

H是选自由F、Cl和Br组成的群组的卤素阴离子。

5.一种制备硅酸盐基橙色磷光体的方法，所述橙色磷光体具有式(M_1-xEu_x)_ySiO₅H_6z，其中：

M是至少一种选自由Sr、Ca、Ba、Zn和Mg组成的群组的二价金属；

0.01≤x≤0.1；

2.6≤y≤3.3；且

0<z≤0.1；

H是选自由F、Cl和Br组成的群组的卤素阴离子；

所述方法选自由溶胶-凝胶法、固相反应法和共沉淀法组成的群组。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述方法是共沉淀法。